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抱紧细胞的大腿!MIT开发出世界上最小的机器人

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最近,麻省理工学院的研究者创造了世界上最小机器人,它们可以感知周围的环境、存储数据以及开展一些计算任务。
这些机器人大概只有人类卵细胞那么大,内部含有二维材料制成的电子线圈,绑定在称为胶质的小颗粒上。

胶质是一些不可溶的颗粒或分子,大小大约在百万分之一到十万分之一米之间,它在我们周围的空气和水中可以保持悬浮。通过将复杂的电路与这些小机器人结合,研究者希望可以为未来可分散设备打下基础,这些设备可以通过人类消化系统或天然气管道传输,或通过空气测量化学处理器或炼油厂的化学物质。



“我们希望能够将胶质颗粒和这些电子线路完全结合起来,”麻省理工学院化学工程教授 Michael Strano 说。这一研究在 7 月 23 日刊登在杂志《自然·纳米技术》上。麻省理工学院的博士后 Volodymyr Koman 是这篇文章的第一作者。

“胶质可以进入环境并以其他材料无法实现的方式在环境中运动,”Strano 说。例如灰尘颗粒,它们可以无限悬浮在空气中因为他们足够小以至于随机碰撞空气分子的运动传导的力已经大于重力。相似地,胶质可以在液体中保持悬浮而不会沉到底部。

Strano 说,虽然其他的研究组也在尝试创造相似的微小机器人,但他们更多强调控制它们的运动,即通过类似微生物鞭毛的结构来控制这些机器人。但是 Strano 认为,这种方式也许并不是最有效的方式,鞭毛或其他细胞的运动系统主要用于局部范围内的位置控制,而不是大尺度的运动。对多数情况来说,让这些微小的机器人具有更多功能可能比让它们可以自己移动更有意义。

由麻省理工学院团队制造的小机器人不需要提供外源动力的可自行满足能源需求。一个简单的光电二极管提供了源源不断的电力,机器人可通过这个电源带动自己的计算和存储线路。这已足够它们感知周边的环境信息,将这些数据存储起来并在完成任务后读取这些存储数据。



这一机器人设备最终将成为油气工业的福利,Strano 说。目前,检查油气管道的主要方式是员工沿着管道用检测器亲自观察。而新的设备理论上可以通过进入管道检测液体流动,并沿着管道移动到另一端记录情况。机器人可以检测是否存在污染物,这些污染物是附近管道出现问题的指示物。起初的概念验证机器人没有计时线圈,后续工作中将这一时间记录线圈加了进去。

相似地,这些设备可以用于身体诊断,如通过消化道可以追溯炎症或其他疾病的指示物。研究者说。

多数传统微芯片,如硅芯片或互补式金属氧化物半导体(CMOS),具有一平坦的刚性基底,当接触到胶质时将无法正常工作,胶质在环境中行进时可能体验复杂的应力。此外,这些传统芯片非常耗能。这也是为什么 Koman 决定尝试二维材料的原因。二维材料包括石墨烯和过渡金属二硫化物,这些物质 Koman 发现可以结合在胶质表面,即使进入到空气或水中仍可保持运行状态。这些薄膜电子产品仅需要很少的能量。它们可以进行纳瓦特级别的充电。



没有基底,这些小材料很易碎且难以共同工作。“没有基底它们确实很难存在,”Strano 说,“我们需要将它们接种到颗粒上,给他们机械刚性,并让它们达到足够被流体携带的大小。”

但是 2D 材料已经足够结实,即使在非传统基底上也足以维持它们的性能。Koman 说。

他们通过这种方法制造的纳米设备是全自动颗粒,它们含有发电、计算、逻辑和存储电子元件。它们可通过光充电,并有一个后向反射器让它们很容易地停靠。它们可以通过探针传递数据。这项研究中,团队希望对这些机器人添加通讯能力以允许这些小颗粒实现不依赖物理接触的数据传递。

其他研究团队的纳米尺度机器人还未达到这一程度:复杂的电子元件足够小并能源足够充足,因而可以悬浮在胶质液体中。它们是“目前来讲非常智能的颗粒,”Strano 说,“我们认为这篇文章正在介绍机器人的一个新领域。”

 
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